不同冶炼流程对中、日、韩和OECD欧洲国家2050年碳强度的影响预测

 

在本文分析中，探讨了钢铁行业潜在深度脱碳情况下的能耗和二氧化碳排放水平。尽管从铁矿石生产出成品钢材有许多步骤，但本文分析侧重于两个主要生产工艺：煤基高碳强度的高炉-转炉生产工艺和低碳强度的电炉生产工艺。后者通常利用废钢炼钢。

 

此外，在钢铁生产中使用氢气并不一定会直接导致钢铁行业的脱碳。2018年，基于化石燃料裂解生产的氢气产量约占全球总产量的99%，其中76%来自天然气，23%来自煤炭。剩下的1%是通过电解过程产生的。与用可再生能源进行水电解生产氢气相比，通过天然气的重整生产的氢气具有较大的碳足迹。目前，通过天然气的重整是生产氢气的主要方法，几乎所有电解生产的氢气都是氯工业中氯碱生产的副产品。在未来几年，由可再生能源驱动的电解氢气将是钢铁行业脱碳的关键。

 

四个国家（地区）特征

 

本文研究了《2021年国际能源展望》中的四个国家（地区）：中国，日本，韩国和经合组织欧洲国家。选择这些地区，要么是因为它们的钢铁工业的规模、钢铁工业的构成，要么是因为它们宣布了钢铁生产的脱碳计划。

 

中国：生产了全球一半的粗钢，并将在任何改变全球钢铁生产方式的努力中扮演关键角色。截至2019年，中国的钢铁生产严重依赖煤炭，主要通过带有高炉和转炉的综合钢厂生产了近90%的粗钢。中国的高炉-转炉产能也相对较新，平均在15年；其钢铁生产装备的使用寿命一般超过40年。然而，只有在大约使用25年后钢厂才会做出额外投资的决定，更换高炉炉衬，才能达到40年的使用寿命。这一大修的成本大约是新建高炉成本的一半，并且需要高炉停产很长一段时间。如果中国的钢铁企业决定停止使用高炉，而不是更换耐火炉衬，向替代技术的转型可能会更快。

 

中国钢铁工业的快速发展始于2000年左右。中国钢铁工业发展势头迅猛，帮助城市地区建设了新的基础设施和摩天大楼，所有这些都需要大量的钢材。钢铁产品的使用寿命很长，这意味着中国自工业化时期开始生产的大部分钢铁产品仍被用于重型设备、桥梁和建筑，只有很少的报废钢铁可以回收利用。然而，在未来几年，我们预计中国将有越来越多的废钢可供回收，这将有助于减少其用煤的粗钢份额。此外，中国重工业产业（包括钢铁工业）的脱碳将有助于中国实现其宣布的净零碳目标。

 

在本文分析研究的情景中，中国电炉生产的粗钢产量份额将从2020年的约13%增加到2050年的50%。在中国，如此大规模的钢铁生产方式转型将极具挑战性，需要大量氧气转炉在正常的报废之前退役。另一个挑战是扩大电炉数量以及增加生产电解氢和为电炉供电所需的大量太阳能和风能的投资。尽管如此，鉴于中国在全球钢铁行业中极大的重要性，中国钢铁产业转型的情景会对能源格局产生更广泛的影响。

 

日本和韩国：两国都有成熟的钢铁工业，主要依靠高炉-转炉进行钢铁生产。在本文分析中，两国钢铁工业的能源消耗方式可以通过电炉生产更多的钢实施积极的转型。此外，这两个国家都正式承诺要在钢铁行业实现脱碳目标。日本已承诺将其能源经济转变为依赖带有碳捕获与封存（CCS）的通过化石燃料生产的氢气和以及基于可再生能源的氢气，这使得基于电解氢气的直接还原铁成为其整体氢气目标中可能的组成部分。日本的公司已经承诺投资一个强大的氢经济，这也将涉及工业产业。同样，韩国也勾勒出了氢经济路线图，以努力遏制温室气体排放。对目前的分析很重要的是，以浦项为首的韩国钢铁工业已经宣布了建设氢气生产能力的计划，作为这一努力的一部分。

 

2019年，日本主要使用高效高炉生产其钢铁产品——日本76%的粗钢是通过高炉-转炉工艺生产的。然而，日本是一个成熟的经济体，其很多基础设施将需要在预测期内退役，这意味着废钢的供应将保持在较高水平，这可能会支持低碳足迹钢的生产。韩国与日本在钢铁技术和资源获得方面有相似之处。与日本一样，韩国主要利用高效高炉生产高水平的钢铁产品，2019年韩国生产的粗钢中有68%来自高炉-转炉工艺。

 

日本在达到这些情景中假定的电解生产氢方面面临挑战。在本次分析的四个国家（地区）中，日本的工业电价最高，其次是韩国。作为一个地理上的岛国，日本可能会遇到土地资源的限制，无法建设大规模的风力和太阳能发电场，以满足假设情况下所需的可再生能源。相反，它可能需要大型海上风电项目或进口中间产品，如热压块铁或氢气。像日本一样，韩国可能也没有足够的土地来建立大规模的可再生能源发电场。

 

经合组织欧洲国家：在本项分析中的经合组织欧洲国家，其成员国如德国钢铁企业已经将政府资金投入到绿色钢铁-低碳足迹的钢铁产品中试项目中。安塞乐米塔尔集团致力于在德国汉堡钢厂利用可再生能源生产的氢气生产绿色钢铁产品；瑞典公司的HYBRIT项目已经向客户交付了低碳足迹钢材。

 

经合组织欧洲国家在向低碳钢铁生产转型方面处于有利地位，其优势在于：

 

★风能和太阳能项目有足够的土地资源；

 

★有充足的废钢供应；

 

★现有的天然气管道可以将氢气输送给工业用户；

 

★更严的二氧化碳排放政策。

 

德国政府已经承诺为其钢铁行业的脱碳提供资金，其中氢气的使用是一个关键组成部分。截至2019年，经合组织欧洲国家在本文分析的地区中，高炉-转炉流程生产的粗钢份额为52%。即使有了起步优势，该地区仍将需要在扩大可再生能源产能方面进行大量投资，以满足在假设对更大份额可再生能源驱动的电炉钢和电解氢气生产的需求。